玻璃基板材料化學(xué)鋼化試驗(yàn)研究

【中玻網(wǎng)】近年來，隨著平板顯示器技術(shù)、太陽能發(fā)電技術(shù)等飛速發(fā)展，對(duì)超薄玻璃需求量與日俱增。為了提高超薄玻璃的機(jī)械強(qiáng)度，改善玻璃性能，克服物理鋼化導(dǎo)致的玻璃變形，人們一般采用離子交換的方式（化學(xué)鋼化）對(duì)玻璃進(jìn)行強(qiáng)化處理，其中以低溫型離子交換化學(xué)鋼化應(yīng)用更為廣泛。在本實(shí)驗(yàn)中，以普通鈉鈣硅酸鹽玻璃為原片，以分析純KNO3為離子交換源，運(yùn)用低溫離子交換法進(jìn)行鋼化。對(duì)鋼化過程中玻璃表面中鈉、鉀離子濃度隨時(shí)間、溫度等變化的規(guī)律及其對(duì)玻璃維氏硬度的影響進(jìn)行了觀察和探討。

　　試驗(yàn)過程：試驗(yàn)中所用的玻璃原片由秦皇島市某玻璃公司生產(chǎn)，玻片厚2.00 mm,其主要化學(xué)成分如表1所示。玻璃的Tg為580℃。離子交換熔鹽為分析純KNO3，理論熔化點(diǎn)為334℃。先將玻璃分割為25 mm×25 mm的小片，洗凈處理。將分析純KNO3和玻璃小片放入坩堝中，將坩堝放入電阻爐中，一組試驗(yàn)以10℃·min-1的速度分別升至不同的溫度，均保溫4 h進(jìn)行離子交換反應(yīng)；另一組試驗(yàn)以10℃·min-1的速度升至450℃，分別保溫不同的時(shí)間。離子交換反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉電阻爐，將玻璃小片從熔鹽中取出，隨爐緩慢降溫。當(dāng)溫度降至80℃左右，取出玻璃小片快速冷卻至室溫，用超純水洗凈玻璃表面殘留的熔鹽，在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥，獲得玻璃樣品。采用帕納科Axios型X射線熒光光譜（XRF）（波長色散型），測(cè)試玻璃的表面成分。

表1    玻璃樣品的化學(xué)組成

（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%    

　�。�1）離子交換反應(yīng)對(duì)玻璃表面成分的影響：X射線熒光分析法利用X射線管產(chǎn)生入射X射線（一次X射線），激發(fā)被測(cè)樣品。受激發(fā)的樣品中的每一種元素會(huì)放射出二次X射線，并且不同的元素所放射出的二次X射線具有特定的能量特性或波長特性，儀器系統(tǒng)通過對(duì)二次X射線進(jìn)行檢驗(yàn)分析，可以給出樣品中各種元素的種類及含量。結(jié)果見表2表3。

表2    經(jīng)不同溫度離子交換4 h后樣品表面成分的XRF測(cè)試結(jié)果

（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%    

表3    經(jīng)450℃離子交換不同時(shí)間后樣品表面成分的XRF結(jié)果

（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%    

　　從以上數(shù)據(jù)可以看出，Na2O和K2O的量都發(fā)生了明顯的改變，說明試驗(yàn)中發(fā)生了明顯的離子交換。圖1為鉀離子和鈉離子濃度隨溫度變化曲線（保溫4 h），可以看出，離子交換前后玻璃表面中的鉀離子和鈉離子濃度分?jǐn)?shù)變化明顯，在相同的保溫時(shí)間下，隨著交換溫度的不斷升高，鉀離子濃度分?jǐn)?shù)不斷增加，鈉離子濃度分?jǐn)?shù)不斷減小。但是，從圖1中曲線的斜率變化可以看出，隨著交換溫度的升高，鉀離子濃度分?jǐn)?shù)的增加速率不同。玻璃中鉀離子濃度增加速率的變化情況，隨著溫度的增加，鉀離子濃度的增加速率不斷下降。當(dāng)高于450℃時(shí)，鉀離子濃度的增加速率急劇下降，470℃時(shí)，可以粗略算出此時(shí)鉀離子濃度增加速率相比450℃時(shí)下降了80%。

圖1    離子濃度隨溫度變化曲線（保溫4 h）

　　圖2為450℃鉀離子和鈉離子濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線。從圖2可以看出，在該試驗(yàn)溫度下，離子交換反應(yīng)迅速進(jìn)行，反應(yīng)2 h即有非常大的離子交換量。隨著交換時(shí)間延長，鉀離子濃度分?jǐn)?shù)逐漸增加，鈉離子濃度分?jǐn)?shù)逐漸減小。但隨著時(shí)間增加，鉀離子濃度分?jǐn)?shù)增加速率減小，超過12 h，鉀離子增加和鈉離子減少都很緩慢，離子交換反應(yīng)幾乎達(dá)到平衡。

圖2    離子濃度隨反應(yīng)時(shí)間關(guān)系曲線（450℃）

　�。�2）離子交換對(duì)玻璃維氏硬度的影響：從圖3中可以看出，在相同的時(shí)間下，隨著溫度的增加，維氏硬度逐漸增加，在450℃時(shí)達(dá)到非常大值，然后逐漸減小。

圖3    離子交換反應(yīng)溫度對(duì)玻璃維氏硬度的影響曲線（4 h）

　　從圖4中可以看出，隨著時(shí)間延長，離子交換后玻璃的維氏硬度，先逐漸增加，到12 h附近出現(xiàn)峰值，隨后維氏硬度逐漸減小。兩圖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與離子濃度的變化規(guī)律一致。

圖4    離子交換反應(yīng)時(shí)間對(duì)玻璃維氏硬度的影響曲線（450℃）

　　通過進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)，可以得出：（1）離子交換后玻璃表面中鉀離子濃度分?jǐn)?shù)大幅度增加，鈉離子濃度分?jǐn)?shù)顯著減小，玻璃維氏硬度增加。（2）隨著交換溫度的升高，K+濃度分?jǐn)?shù)增加，增加速率減小。低于450℃的時(shí)，K+濃度分?jǐn)?shù)增加速率緩慢減小，維氏硬度逐漸增加，在450℃附近維氏硬度達(dá)到峰值。高于450℃，離子交換沒有增加玻璃維氏硬度，反而導(dǎo)致硬度降低。（3）隨著時(shí)間延長，玻璃表面中鉀離子的濃度分?jǐn)?shù)增加，增加速率下降。小于12 h，鉀離子濃度分?jǐn)?shù)增加速率小幅度下降，維氏硬度增加，在12 h附近維氏硬度更大。超過12 h，離子交換沒有增加玻璃維氏硬度，反而導(dǎo)致硬度降低。